Projekt azonosító: GVOP -3.1.1.-2004-05-0125/3.0
Új információs és kommunikációs technológia regionális hasznosítása: Városi vízgőzhálózat számítógépes felügyeleti, szakértői és döntéstámogató rendszerének kidolgozása az energiaelosztás optimalizálása, az energetikai veszteségek csökkentése céljából
3. munkaszakasz (2007.01.01 – 2007.10.31.)
RÉSZLETES SZAKMAI BESZÁMOLÓ
A kedvezményezett szervezet neve: Pécsi Tudományegyetem
Projektvezető: Dr. Szakonyi Lajos
2 Koordinátor szervezet neve: Pécsi Tudományegyetem Projekt azonosítószáma: GVOP-3.1.1.-2004-05-0125/3.0
MELLÉKLET a záró PEJ-hez
Részletes szakmai beszámoló
3. munkaszakasz
A 3. munkaszakaszban az év folyamán a 2005-ben megkezdett, a városi vízgőzhálózat számítógépes felügyeleti rendszerének kidolgozását célzó munka tovább folytatódott a célkitűzéseknek megfelelően. Betervezett főbb feladataink a következők voltak: -
a hálózatüzemeltetési stratégia, az irányítási rendszer és szerveinek megválasztása; az irányított hálózati modell szimulációja, további modellfinomítás; az energetikai veszteségek számszerűsítését, a vízgőzfelhasználóknak juttatott energiaáramok mennyiségének és minőségének korrekt meghatározását biztosító felügyeleti, üzemviteli szakértői és döntéstámogató rendszerre vonatkozó javaslattétel.
A 2007-re kért és engedélyezett Projektzárás módosítási kérelemnek - nevezetesen az alábbiaknak: -
a regionális vízgőzhálózat vízgőz-nedvességtartalmának igazolására betervezett folyamatközbeni mérések elvégzése a speciális mérőeszközök leszállításának késése miatt határidő módosítást igényelt, továbbá az eredetileg betervezett projektzárási határidő után 3 db előadás megtartásával kívántunk részt venni a 2007. szeptember 18-21-ig Máltán rendezett, projektünköz szorosan kapcsolódó, a műszaki rendszerek matematikai modellezésével, numerikus módszerek alkalmazásával kapcsolatos konferencián -
megfeleltünk a betervezett tevékenységek és munkák elvégzésével. ad 3.1. A hálózatüzemeltetési stratégia elemzése, megválasztása
A 2. munkaszakasz Részletes szakmai beszámoló-jában adtunk magyarázatot – a jelenlegi üzemvitelt is jellemző, a teljes gőzhálózatot tekintve a gőzkiadás és a gőzfelhasználás közötti, éves szinten mutatkozó – mintegy 40%-os eltérés okaira. A gőzhálózaton a meglévő ellenőrző és irányítási rendszer ideiglenes kibővítésével rendelkezésre álló infokommunikációs infrastruktúra felhasználásával végzett identifikációs méréseink, s ezt követően a gőzhálózat matematikai modelljének számítógépes szimulációja igazolták a tömegáram-különbözet okait. Ugyanis a telített vízgőz állapotváltozását, a nedves, változó nedvességtartalmú vízgőz ingadozó sűrűségét nem képesek feldolgozni a vízgőzenergia nagyfogyasztóinál telepített, statikus nyomásesés mérésén alapuló, telített száraz vízgőz sűrűségével számoló szűkítőelemes áramlásmérők. A sűrűségkorrekció hiánya pl. a Nyugati részhálózat esetén identifikációs méréseink idején a nyári, ill. a téli, a termelő, ill. a szintentartó időszakban átlagosan az erőművi kiadott tömegáram 30%-át jelentette. Identifikációs vizsgálataink idején a részhálózaton - kondenzátorként működtetett speciális mérőtartályok segítségével - mért hasznosítatlan kondenzáramok tömegsebessége, ill. a szigetelt vezeték palástfelületén és a kondenzleválasztóknál a környezetbe távozó hőáram az erőművi tömegáram-, ill. hőáram-kiadás mintegy 20%-át tette ki. Tehát a részhálózaton veszteségként kezelt tömegáram mintegy 2/5-e volt a tényleges veszteség. A jelenlegi hálózatüzemeltetést megismerve az üzemeltetési stratégia kialakításával kapcsolatos javaslataink ezért elsősorban a megbízható méréseken, az állapotjellemzők pontos ismeretén alapuló üzemvitel, s az erre épülő energiaelszámolás feltételeinek biztosítására kell, hogy irányuljanak. Üzemviteli méréseink, ill. a regisztrált üzemviteli adatok feldolgozása alátámasztották, hogy az egyes fogyasztókkal kötött szerződésekben szereplő vízgőz állapotjellemzők biztosítandó tartománya (a hőerőműhöz legközelebbre eső nagyfogyasztó esetén a 8...10 bar túlnyomás, s a 185…280 ºC hőmérséklet csak száraz gőzt, a
3 többi fogyasztónál a 6…10 bar túlnyomás, s a 154…280 ºC hőmérséklet nedves gőzt is megenged) teljesített. A fogyasztónkénti gőznyomások minden vizsgált üzemállapotban, ill. az éves üzemviteli adatokat áttekintve a szerződésekben rögzített szélsőértékeken belül maradtak. Az erőmű gőzosztójáról (az erőműben a felhasználók felé induló gőzágak egy közös gyűjtővezetékről csatlakoznak le) kiadott vízgőz nyomásának értéken tartásával (általában 9,8…10,3 bar túlnyomás közötti az erőműben működtetett nyomásszabályozási körben a szabályozott jellemző ingadozása) a vízgőzenergia-kiadás a fogyasztói szerződésekben rögzített nyomástartományoknak megfelel. A vízgőzhálózatot a jelenlegi visszaesett energiaigények miatt a viszonylag kis áramlási sebességek jellemzik, tehát a betáplálás oldali hálózatvég (a kiadás) nyomásának értéken tartásával, a fogyasztóknál kialakult vízgőzállapotok visszacsatolása nélkül is biztosított az energiaellátás. A jelenlegi hálózatüzemeltetési stratégia megismerése és az esetleges változtatások tervezése során fontos volt, hogy a vízgőzt előállító hőerőmű szakembereivel tisztázzuk a hőenergia kiadásának, elosztásának, a fogyasztói igények biztosításának lehetőségeit. A korábbiakban említettük, valamint az erőmű üzemeltető szakembereivel folytatott utolsó konzultációk is megerősítették, hogy az erőmű gazdaságilag nem érdekelt (ennek elemzése nem a mi kompetenciánk) a gőzszállítás növelésében (a vízgőz hatósági áras termék, eladási ára teljesen nem fedezi a vízgőzhálózat fenntartási költségeit). Az energiaárak jelentős növelése következtében viszont erősen visszaesett (tovább csökken) az erőművel szerződésben álló külső gőzfogyasztók száma, vízgőzvásárlási szándéka, s a „hasznosítatlan” vízgőz növekedése kedvezőtlenül befolyásolná a villamosenergia termelés hatékonyságát is. Ezért az erőmű a külső vízgőzfelhasználók számának, fogyasztásának visszaesésével jelentkező hőenergiát hőcserélők (35MW-os, ill. 40MW-os) működtetésével kívánja a belső forróvíz-előállító, ill. a tápvíz-előmelegítő rendszerében, valamint a regionális távfűtő-hálózatnál (melegvíz hálózat) hasznosítani. Az erőmű irányítási rendszerét, az önműködő irányító berendezéseket jelenleg és a későbbiekben is elsősorban a villamosenergia termelés lehető legjobb hatásfokának elérése érdekében működtetik. Az erőmű villamosenergia és vízgőzszolgáltató technológiai rendszerének részletes, ill. leegyszerűsített működési vázlatát a 3.1. mellékletben közölt 1., 2. és 3. ábrákon szemléltetjük. A kiadási oldalon a vízgőz nyomása átlagosan 10…10,2 bar túlnyomás, a hőmérséklet 220…300 ºC között változik. Kazán oldalon a gőznyomás ~98 bar, ~540 ºC hőmérséklettel. Normál üzem esetén a 3.1. melléklet 3. ábrán feltüntetett nagynyomású T4/1 turbina betápoldali gőzigényét elsődlegesen a villamos teljesítményigény határozza meg. A vízgőzhálózat részére a turbina házából, a kilépő oldalról kell elvenni a szükséges gőzmennyiséget. A közös gyűjtővezetékben a kiadásra kerülő vízgőz nyomása elsősorban az alacsony-nyomású T4/2 turbinára kerülő gőzmennyiség módosításával állítható be. Az erőmű gőzosztójáról a fogyasztók felé kiadott vízgőz nyomásának szabályozása a vízgőzhálózat végpontjainál jelentkező hidraulikai ellenállásváltozások (az erőművi nyomásszabályozási kör szempontjából zavaró jellemzők) kompenzálására is hivatott. Az erőművi nyomásszabályozási körök (lásd. működési vázlatok) automatikus működtetésű zárószerelvényei az alacsony-nyomású turbinára történő átvezetés mellett az erőművi gyűjtővezetéknél leágazó gerincvezetékekre és az egyes gerincvezetékekről leágazó fogyasztókra kiadott tömegáramokat módosítják. Tehát az erőművi technológiáknál a felhasznált gőzmennyiséget villamos energetikai igény, a teljes rendszer optimális hatásfokának elérése határozza meg, amit befolyásol az általunk vizsgált vízgőzhálózat számára elvett vízgőz mennyisége. Ha nincs vízgőzelvétel az erőművi rendszerből, akkor változatlan villamosenergia termelés mellett csökken a kazánteljesítmény, ennek ellenére romlik az energetikai hatásfok. Az erőművi energiaelőállító rendszer működését a Rankine-Clausius körfolyamat írja le, melyet a 3.1. melléklet 4. és 5. ábráin szemléltetünk a körfolyamat lépéseinek ismertetésével. A Pécsi Hőerőműben a nagynyomású turbina teljes terhelés mellett 90 t/h vízgőzt szolgáltat az alacsony nyomású oldalon, ami lényegesen meghaladja a jelenlegi 10…15 t/h gőzhálózati igényt. A felhasználók biztonságos ellátása érdekében reduktorokon keresztül is adható vízgőz a gyűjtővezetékekre (R1, R2). A reduktorok lehetővé teszik a fogyasztók ellátását a turbina leállítása esetén is. A technológiai rendszer többszörösen redundáns. A turbina nagynyomású oldalára bármelyik kazán tud gőzt szolgáltatni, tehát a primer betáplálás biztosított. A turbina leállítása esetén az R1 vagy R2 reduktorokon keresztül is lehet a kimenő oldalra vízgőzt szolgáltatni, tehát itt is van tartalék a rendszerben. A reduktoros megoldás energetikai szempontból vészüzemnek tekinthető és kerülendő. Az erőmű szakembereivel folytatott konzultációk alapján és az erőművi technológiát, a folyamatirányítási rendszert megismerve kijelenthetjük, hogy az erőműnek nem lehet elsődleges szempont a sugaras szerkezetű, részhálózatonként egy betáplálási hellyel rendelkező regionális gőzhálózat egyes végpontjain az állandó vízgőzminőség biztosítása, ha a vízgőzkiadásoknál (a hálózat forrásoldali végpontjai) telepítettek a nyomásszabályozási körök érzékelő és beavatkozó szervei. Természetesen a fogyasztói végpontoknál történő
4 beavatkozások a zárószerelvények kézi vagy automatikus működtetésével a helyi hidraulikai ellenállások megváltozása mellett a teljes hálózat ellenállásviszonyait is módosítják. Az egyes részhálózatok nyomásviszonyait befolyásoló zavaró jellemzők (hidraulikai ellenállásváltozások) számottevő holtidő nélkül az erőmű gőzosztója utáni nyomás-ellenőrzőhelyen nyomásváltozást (szabályozott jellemző ingadozása) okoznak, melyet a nyomásszabályozó kompenzál ugyancsak az erőműben telepített beavatkozószervek áteresztőképességét módosítva. A módosított jellemző tehát az erőműből a részhálózatokra kiadott túlhevített vízgőz tömegárama, mely a - szállítási kapacitásához képest erősen „visszafogott” üzemmódban működtetett hálózat végpontjain a lecsökkent fogyasztói igények, a nagy hidraulikai ellenállások következtében általában már telített nedves vízgőzként jelenik meg a száraz vízgőzre tervezett fogyasztói áramlásmérőhelyeken. A vízgőzhálózati veszteségek (2003 évben 43% a vízgőzhálózat átlagos, 52% a Nyugati-, 65% a Déli-, 29% a Keleti-részhálózat vesztesége) követése, az állapotjellemzők üzemközbeni korrekt meghatározása a megbízható, az esetleges kétfázisú (elsősorban réteges) áramlás és a kondenzveszteségek nyomonkövetésére is alkalmas érzékelők beépítését, infokommunikációs rendszer működtetését, s az előbbiekkel megvalósított üzemvitelt igényli. E hálózatüzemeltetési stratégia – az erőműben telepített nyomásszabályozási rendszer további működtetése mellett - feltételezi az aktuális üzemállapotokhoz igazodó felügyeleti rendszer, a kiadott vízgőzenergia hőtartalmának követését, s ezáltal a korrekt elszámolást biztosító üzemviteli szakértői rendszer meglétét. ad 3.2. A választott hálózatüzemeltetési stratégiához szükséges beavatkozási helyek, beavatkozó szervek megválasztása Az előző fejezetben utaltunk arra, hogy a hőerőműben kialakított és jelenleg működő irányítási rendszerek elsősorban a megtermelt villamos energia optimális energetikai hatásfokának biztosítását szolgálják, s nem a fogyasztókhoz jutó vízgőz minőségének állandó értéken tartását, a száraz vízgőz vételezésének lehetőségét. A villamos energia előállításához szükséges vízgőz – miután expandált és a gőzturbinán hasznos munkát végzett a villamos energiát előállító generátor működését biztosítva – hőenergiaként tovább hasznosítható az alacsonynyomású turbináknál, ill. az erőművi technológiáktól független nagyfogyasztóknál. Az utóbbiak vízgőzenergia ellátásának megoldása természetesen a műszaki feltételek teljesítése mellett piacpolitikai (adás-vételi) kérdéseket is felvet, melyeknek figyelembevételével kötik meg éves szerződéseiket a szerződő felek. A Dél-dunántúli régióra a nagyipari termelés visszaesése jellemző, egyre kevesebb a vízgőzfelhasználók száma, ill. a rendelkezésre álló erőművi és a kiépített gőzhálózati kapacitáshoz képest csekély a vízgőzfelhasználás. Az energiafelhasználás jelentős csökkenésével a korábbi, jóval nagyobb fogyasztásra méretezett vízgőzhálózat - a nagyfogyasztók általában napi egyműszakos üzeme, hétvégi leállásai miatt - nem működtethető kapacitásának megfelelően. A hőerőmű – teljes terhelés mellett az alacsony nyomású oldalon – 90t/h vízgőzszolgáltatásra képes nagynyomású turbinájáról származó vízgőzáramból jelenleg 10…15 t/h a külső fogyasztók igénye. A lecsökkent fogyasztás, a gyakori leállások következtében a forrástól távoli fogyasztóhelyeken a telített nedves vízgőzállapot a jellemző. A száraz vízgőz mérésére beállított mérőeszközök csupán tájékoztató tömegáram adatokat szolgáltatnak a kétfázisú, réteges áramlás kialakulása miatt. Bár, a nyomás- és hőmérséklet adatok, a szűkítőelemes áramlásmérők statikus nyomásesései dokumentáltan rendelkezésre állnak, s a fogyasztói szerződésekben rögzített feltételeknek megfelelnek, de nem ismeretes a vízgőz nedvességtartalma, a fogyasztói hálózatvégeken esetlegesen kialakuló kétfázisú áramlás során az eltérő sebességgel haladó fázisok sebessége és térkitöltése. A nagyfogyasztóknál történő jelenlegi beavatkozások a fogyasztói hőközpontokban elhelyezett kézi, ill. az egyedi technológiákra telepített automatikus működtetésű zárószerelvények nyitását-zárását jelentik normál üzemvitel esetén. A párhuzamosan futó, eredetileg a téli és nyári üzemvitelre tervezett gerincvezetékek egyes leágazásainál a fogyasztóhelyek kiszakaszolását, ill. a különböző átmérőjű vezetékek közötti átkötéseket biztosító kézi tolózárak működtetése csak esetleges üzemzavar, karbantartás esetén jár a kezelőszemélyzet közreműködésével. Az utóbbi években az energiafelhasználók számának csökkenésével a nagyobb keresztmetszetű, kisebb hidraulikai ellenállást jelentő csővezetékeken történő vízgőzelosztást valósítják meg az üzemeltetők. Nincs téli-nyári átállás, melynek elmaradása a gerincvezetéken lévő zárószerelvények távműködtetésre alkalmassá tételét indokolná. Az erőműben kialakított nyomásszabályozási körök beavatkozó szervei (lásd. a 3.1. melléklet működési vázlatait) módosítják a vízgőzhálózatra jutó túlhevített vízgőzáram össztömegáramát, azonban a vízgőzáramok egyes nagyfogyasztók közötti megoszlása a hálózat végpontjain kialakult ellenállásviszonyoktól függ. A nagyfogyasztóknál az aktuális hidraulikai ellenállásokat pedig az egyes hőközpontokban elhelyezett kézi zárószerelvények, ill. az egyedi technológiai berendezéseken telepített automatikus beavatkozó szervek
5 pillanatnyi beállítása szabja meg. Amennyiben a tervezett üzemviteli stratégia az egybetáplálású sugaras hálózat egyes fogyasztóhelyein kívánná biztosítani az állandó minőségű (elvárt nedvességtartalmú, esetenként száraz), adott tömegáramú vízgőz vételezését, a fogyasztóhelyek függetlenítésére be kellene terveznünk szabályozószelepeket a vízgőz elosztására a gerincvezetékekről való leágazásoknál. A gőzfogyasztói szerződésekben meglehetősen tág üzemviteli paramétertartományban rögzített, egy kivétellel az összes fogyasztóhelyen az állapotjellemzők széles min-max. tartományban történő ingadozását megengedő üzemvitel azonban ezt nem indokolja. A teljes regionális vízgőzhálózatra a tényleges átlagos tömegáramkiadás 2003-ban 14,91 t/h volt (ebből a Nyugati-részhálózatra jutó éves átlagban 7,61 t/h, a legnagyobb januári fogyasztás idején 10,71 t/h). A gőzfogyasztókkal kötött szerződésekben megmutatkozik az előbbi tényleges vízgőzkiadások követése. Például 2006. évben a tömegáramokra vonatkozó csúcslekötések összesítése a téli időszakban 19,83 t/h (ebből a Nyugati-részhálózat nagyfogyasztóinál: 4,7 t/h Bőrisz Kft, 3,8 t/h BAT Dohánygyár, 3,0 t/h Honvédkórház, 0,7 t/h Mecsekparkett Kft., 0,5 t/h Pannon Volán; összesen 12,7 t/h), a nyári időszakban 18,13 t/h (ebből a Nyugatirészhálózaton a Honvédkórház lekötése 1,5 t/h, a többi fogyasztóhelyen a téli igénnyel megegyező, összesen 11,2 t/h) tömegáram-maximumokat jelentett. Az erőmű – a regionális vízgőzhálózat energiaellátására hivatott – IV. blokkjának nagynyomású turbinája teljes terhelésnél ~10 bar túlnyomású, ~280ºC hőmérsékletű, mintegy 90 t/h tömegáramú vízgőzt képes szolgáltatni, tehát a tömegáram mennyiségére vonatkozó fogyasztói elvárások az erőmű részéről egyértelműen teljesíthetők a nyomásszabályozási rendszer erőműben telepített érzékelő és beavatkozó szerveinek működtetésével. A vízgőzhálózat egyes csomópontjaiban telepített érzékelőinkkel (hőmérséklet, nyomás, dinamikus nyomás érzékelők) az általunk vizsgált időszakban mért adatok (lásd. 2. munkaszakasz Részletes szakmai beszámoló melléklete 2.3.1-2.3.6. adatlapok, ill. 2.3.13. ábra), valamint az egyes nagyfogyasztóknál a PÉTÁV Kft. adatgyűjtő rendszerével és Pitot-cső elvű speciális áramlásmérőnkkel rögzített állapotjellemzők összetartozó értékei is alátámasztották, hogy a vízgőzhálózat fogyasztói leágazásait – a BAT Dohánygyár termelő műszakjától eltekintve – a szaturációs állapot jellemzi. A korrekt fogyasztói vízgőzelszámolás azt indokolná, hogy a fogyasztóknál telepített áramlásmérőhelyeken a vízgőz tömegárama, nedvességtartalma, hőtartalma ismeretében valósuljon meg az eladott termék minőségellenőrzése és ezt kövesse a számlázás. A nagyfogyasztóknál meglévő jelenlegi méréstechnikai, műszertechnikai és infokommunikációs háttér ezt nem teszi lehetővé. Ennek megoldására teszünk javaslatot a 3.5. és a 3.6. fejezetekben. A fogyasztóvégeken kialakult szaturációs állapotot a nyomásszabályozási rendszerek jelenlegi működtetése, az erőműben telepített beavatkozószervek – a vízgőzhálózatra való energiakiadást – módosító hatása nem képes megszüntetni. A napi termelő műszakok, ill. a hétvégét megelőző munkanapok befejeztével a gőzfelhasználóknál történő szerelvényzárások, fogyasztószám-csökkentések (hidraulikai ellenállás-növelések) az ágak és a teljes hálózat nyomásnövekedését, ezzel a nyomásszabályozási kör ellenőrzőjelének emelkedését eredményezik, melyet a szabályozó közvetett módon (az alacsony-nyomású turbinára történő átvezetés növelésével), ill. közvetlenül (a hálózatra történő vízgőzkiadás csökkentésével) kompenzál. E beavatkozásokkal pl. a Nyugatirészhálózaton (lásd. 2. munkaszakasz Részletes szakmai beszámoló melléklete 2.13.1. táblázat) a vízgőzkiadás tömegárama átlagosan mintegy 50-60%-kal, a kondenzleválasztókon hasznosítatlanul távozó kondenzáram 2030%-kal csökken (utóbbiaknak a hálózatra feladott tömegáramokhoz viszonyított értéke 4-5%-kal nő). A nagyfogyasztóknál egy hét folyamán mintegy 60% a szintentartó és 40% a termelő időszakok időtartama. A szintentartó időszakban a fogyasztói hálózatvégek megnövelt hidraulikai ellenállásai, az erősen lecsökkentett vízgőzfeladás és áramlási sebesség jelentős kondenzvízzel terhelt, pangó vezetékszakaszok kialakulását, a vízgőz nedvességtartalmának növekedését eredményezi. A szintentartó időszakokat ciklikusan követő, kisebb ellenállásokkal, nagyobb vízgőzáramokkal jellemezhető termelő időszakok időtartama nem elegendő a szaturációs állapot megszűntetéséhez. A fogyasztói hálózatvégeken kialakult áramlási viszonyokat, az egyik nagyfogyasztónál végzett irányított beavatkozásainknak (tolózárak változó nyitása, kondenzleválasztók kiiktatása, változó időtartamú működtetése, a vízgőzáram időszakos lefúvatása stb.) a vízgőzállapot változására gyakorolt hatását, a speciális kondenzárammérőkkel, a helyi sebesség mérésére, sebességeloszlás meghatározására alkalmas áramlásmérőkkel végzett méréseinket a 3.5.1. mellékletben foglaljuk össze. E mérések kiértékelése, az előbbi eszközök alkalmazhatósága alapján teszünk javaslatot az üzemviteli szakértői és döntéstámogató rendszer kialakítására. A jelenlegi irányítási rendszer hiányossága a vízgőzhálózatra történő energiakiadás szempontjából a vízgőzhőmérséklet ingadozásával kívánatos kompenzáció, az önműködő irányított beavatkozás elmaradása. Identifikációs méréseink idején a vízgőzhálózatra kiadott vízgőzhőmérséklet 230-300ºC tartományban változott. Ugyanis az erőművi üzemvitel és irányítás a villamos energiatermelés lehető legjobb energetikai hatásfokának
6 elérését támogatja, s nem a külső fogyasztóknak kiadott vízgőzenergia hőtartalmának értékentartását. Ezek a jelentős hőmérsékletingadozások a nagyfogyasztóknál általában jellemző szaturációs, ill. a kondenzálódáshoz közeli állapot miatt szinte alig észlelhető hőfokváltozást okoznak, s ez a szaturációs állapotban működő rendszer tehetetlenségére, a jelenlegi beavatkozások hatástalanságára utal. Az előbbi következtetések és megfontolások alapján a vízgőzhálózat jelenlegi állapotában úgy tűnik, hogy fogyasztóhelyenként az állandó minőségű száraz, ill. csekély nedvességtartalmú vízgőz biztosítása a fogyasztóhelyhez közeli érzékeléssel és beavatkozással valósítható meg. A vízgőz minőségének ellenőrzésére alkalmas mérési és számítási módszereket a 3.5. és a 3.6. fejezetben tárgyaljuk. A vízgőzállapot ellenőrzése alapján történő beavatkozást, a vízgőz – a szintentartás idején történő – időszakos lefúvatásával a pangó kondenzátum csővezetékből való eltávolítását, a nedves vízgőz – a nagyfogyasztók telephelyén kialakított – hőcserélőkben történő hasznosítását tartjuk kivitelezhetőnek. Amennyiben az egyes nagyfogyasztóknál a vízgőz minőségének meghatározása folyamatközbeni mérésekkel a szolgáltató által megoldott - s a minőségi, valamint a mennyiségi adatok alapján kerül sor a számlázásra - fogyasztói belügynek tekinthető, hogyan hasznosítja a megvásárolt, ismert minőségű (nedvességtartalmú, hőtartalmú) vízgőzt saját céljaira. Méréseink alátámasztották, hogy a csőhálózat hőszigetelésének az üzemeltető által a közelmúltban történt felújítása jelentősen hozzájárult az energiaveszteségek csökkentéséhez. A vízgőzhálózat kondenzleválasztóinál az erőművi vízgőzkiadás tömegáramának mintegy 20%-át kitevő, a talajba, s a légkörbe kerülő kondenzáramok hasznosítása, ill. a környezetet hosszútávon károsító felesleges hőkibocsátás csökkentése további feladatot jelent a vízgőzhálózat üzemeltetőjének. A ~13 km hosszúságú, mintegy 40 db kondenzleválasztónál villamos energiavételezési helyekkel nem rendelkező vízgőzhálózat esetén a kondenzvíz összegyűjtése, s például szivattyúk alkalmazásával a vízgőzkiadáshoz (pl. az erőműbe), ill. felhasználóhelyre való visszavezetése, valamint további hasznosítása gazdaságossági számításokat igényel. A jelenlegi lecsökkent energiaigény és nagyfogyasztószám esetén a meglévő, a jelenlegivel párhuzamosan telepített kisebb átmérőjű csőhálózattal megvalósított üzemvitel lehetőségét a 3.3. fejezetben elemezzük. ad. 3.3. Az erőmű nyomásszabályozási rendszere által irányított hálózat változó hálózatüzemeltetési stratégiához igazodó szimulációja a hálózati modellel Az irányított vízgőzhálózat matematikai modellje elkészült, s egy önállóan használható keretrendszerbe beépítésre került. A szoftver lehetőséget nyújt egy tetszőleges vízgőzhálózat kialakítására grafikus úton, szerkeszthetjük, módosíthatjuk hálózatunkat, melyben rögzítésre kerülnek a hálózat fizikai paraméterei és az egyéb befolyásoló tényezők. A hálózaton definiálhatunk lezárásokat, szűkítéseket, pozitív (pl.: erőmű) és negatív (pl.: kondenzleválasztók) forrásokat. A szoftver a felparaméterezett hálózaton a kétfázisú áramlás matematikai modellje alapján számítást végez, mely számítás eredményeképpen a hálózatban áramló vízgőz paramétereit tudjuk megjeleníteni csomópontokra és ágakra vonatkozóan, látványos, áttekinthető formában. Ha az eredmények számunkra nem kielégítőek, lehetőségünk van az eredeti paraméterek módosítására, majd újbóli számításra. A számítás eredményeit Excel formátumban kiexportálhatjuk, a hálózatot elmenthetjük a további felhasználhatóság érdekében. A szoftver további lehetőségei megtekinthetőek a használati útmutatóban, a 3.3.1. mellékletben. A jelenlegi kiépítésnek megfelelő topológia felvitelét megtettük. A mért és számított paraméterek beállítása után a statikus modell használatával megmondható, hogy a bevitt gőzhálózatra a beállított erőműi feladás hatására a rendszeren milyen áramlási viszonyok jönnek lére. A modell segítségével megállapítható, hogy a feladott tömegáram és a feladott gőz nyomásától, hőmérsékletétől függően a rendszerben kialakuló egyensúlyi állapotban, milyen vízgőzminőségek jellemzik az ágakat. A kiépített hálózaton a tömegáramok az ellenállásoknak megfelelően oszlanak meg. A kívánt fogyasztások arányát – a végpontokon föllépő tömegáramok arányát – a hálózat végpontjain fiktív módon elhelyezett egységnyi hidraulikai ellenállás további szűkítésével lehet elérni. Ez az elem szimulálja a fogyasztónál fellépő zárószerelvény állását. A program lehetőséget nyújt a hálózatra jellemző kondenzációs átmeneti görbe megkeresésére. Ez a függvény megmutatja azt a hálózatra feladott minimális tömegáramot, mely a hálózat minden pontján száraz vízgőz
7 jelenlétét eredményezi. A kiépített gőzhálózatra jellemző kondenzációs függvény a 3.3.2. melléklet 3. ábráján megtekinthető. A vízgőzhálózat jelenlegi, párhuzamosan futó csőszakaszokkal való kialakítása lehetővé teszi, hogy átkötésekkel, kézi működtetésű tolózárak átállításával a másik, kisebb keresztmetszetű hálózatra való áttérésre is lehetőség nyílik. Ezt a rendszert is lemodelleztük a használat szempontjából. A megalkotott függvényeket fel lehet használni a szakértői és döntéstámogató rendszer kiépítésénél. Amennyiben a kapcsolódó mellékletben szereplő szaturációs görbe alatti pontpárra jellemző az erőművi vízgőzfeladás, akkor emelni kell a feladott vízgőzáram hőmérsékletét, nehogy a rendszer átmenjen a szaturációs (nedves vízgőz jelenlétét jelentő) állapotba. E függvények megalkotása – a használható nyomásértékek figyelembevételével – az SZDR kiépítésének részét képezi. A program használatával megállapítható, hogy a jelenlegi, csekély végfelhasználói fogyasztás mellett a rendszer egyes pontjain, a fogyasztók döntő többségénél általában nedves gőz jelenik meg. A változó nedvességtartalom okozta bizonytalan tömegáram-mérést, a ténylegesen mért energiaáramok korrekcióját a 3.5. és 3.6. fejezetben tárgyaljuk. ad. 3.4. A működtetett hálózat térinformatikai, áramlástechnikai és hőátviteli modellezésére szolgáló szoftvermodulok kapcsolatrendszere A hálózat modellezésének, szimulációjának, a bemeneti adatok megadásának és az eredmények megjelenítésének feladatát több szoftverkomponens (modul) együttesen látja el. A szimulációs környezet hatékony alkalmazásához a MATLAB környezetben fejlesztett hálózati modellek, a C#. NET alapú hálózat- és adatbeviteli felület, valamint az ArcGIS térinformatikai rendszer zökkenőmentes együttműködése szükséges. A rendszerek integrációja hatékonyan megvalósítható a .NET keretrendszerben. A MATLAB alapú hálózatmodell a MATLAB Compiler .NET Builder segítségével egy .NET komponenssé fordítható, mely komponens egy közvetlenül felhasználható osztály-objektumként kezelhető bármely .NET kompatibilis programozási nyelvben.
A szoftvermodulok közötti kapcsolatrendszer A .NET Builder segítségével létrehozott komponens egy C# környezetben készült keretprogramba épül be. A keretprogramból két különböző .NET összeállítás (CLR-ban futtatható program) készült el. Az egyik egy konzolos változat az ArcGIS VB makróból való könnyű elérhetőség miatt, a másik pedig egy grafikus
8 felhasználói felülettel (GUI) rendelkező változat, amely önállóan futtatható programként alkalmas hálózatok bevitelére és szimulációk elvégzésére. A MATLAB hálózatmodellből elkészített .NET komponens használatához szükség van a MATLAB futtatókörnyezetére (MCR, Matlab Component Runtime), és természetesen magára a .NET keretrendszerre (.NET Framework) is. A szoftvermodulok közötti kapcsolatrendszer az ábrán látható. Az alábbiakban részletesebben tárgyalásra kerülnek a szimulációs környezet egyes komponensei. A MATLAB szimulációs modul és a grafikus felületek A hálózati modell fejlesztése (3.4.1. melléklet) teljes egészében MATLAB környezetben történt, mivel a modell matematikai leírását jelentő differenciálegyenlet-rendszerek megoldása, valamint a hálózatot reprezentáló mátrixok kezelése sokkal hatékonyabb, mint az általános célú programnyelvekben. A fejlesztés során felmerülő problémák megoldására, az eredmények vizualizációjára is számos effektív eszközt tartalmaz a MATLAB fejlesztőkörnyezet. Az elkészült hálózati modell szimulációs modul MATLAB scriptek és függvények hierarchikus szerkezetéből áll. A főprogram végzi az inputadatok beolvasását, a modell szimulációját (a modell egyenletrendszereinek megoldása adott bemenet esetén), valamit az eredmények kiírását az outputokat tartalmazó file-okba. E feladatainak elvégzése során számos alprogram meghívására is sor kerül, melyek részben adminisztrációs feladatokat ellátó segédfüggvények (pl. szomszédsági mátrix rendezése), másrészt a rendszeregyenletek konkrét szerkezetét definiáló, valamint a hőmérséklet és nyomásfüggő fizikai anyagjellemzők kiszámítását végző függvények. A modell a MATLAB környezetben kiválóan használható szimulációra, de grafikus felhasználó felület (GUI) nélkül nem elég flexibilis, és paraméterezése, valamint az eredmények megjelenítése MATLAB programozási ismereteket igényel. A stacioner hálózati modell programrendszerének leírását a 3.4.5. melléklet tartalmazza. Tetszőleges topológia szabadon paraméterezhető modellezése és szimulációja olyan grafikus be- és kiviteli felületet feltételez, amelyen a felhasználó könnyen, programozói ismeretek nélkül is el tud végezni összetett szimulációs feladatokat. Egy ilyen tulajdonságokkal rendelkező felületnek a szimulációs maghoz való illesztésére kétféle konkrét megvalósítást terveztünk meg és implementáltunk. Az egyik egy külön erre a célra fejlesztett C# .NET alapú alkalmazás, melynek alapvető funkciója a modellezni kívánt hálózat és a modellparaméterek definiálása, valamint az így megadott modellhálózaton szimulációs futtatások végrehajtása és az eredmények megjelenítése. Az alkalmazás minden funkciója a grafikus felhasználói felületről érhető el, könnyen kezelhető formában. A szimulációs eredmények egyszerű megjelenítése mellett lehetőség van az eredmények exportálására Excel dokumentum formájában. A másik megoldás a grafikus felületre az ArcVIEW térinformatikai rendszerrel való összekapcsolás formájában valósult meg. Ezen a módon a felhasználó térképi alapon elkészített, térképi adatbázishoz illesztett hálózatmodellen végezhet szimulációkat. A konkrét kapcsolat ebben az esetben az ArcVIEW rendszerben implementált VB makrónyelven elkészült modul segítségével oldható meg. A modul interfészként funkcionál az ArcVIEW alapon definiált hálózat és a .NET komponens formájában elérhető szimulációs modul között. Így a felhasználó az ArcVIEW grafikus felületén végezheti el a modellparaméterek beállítását és módosítását, valamint innen indíthatja a szimulációt, melynek eredményei a térképi adatbázisba kerülnek és az ArcVIEW felületen megjeleníthetők. A fenti két funkció megvalósítása azt feltételezi, hogy a MATLAB környezetben elkészült szimulációs modul .NET alapú fejlesztőkörnyezetekből elérhető. A MATLAB programok, függvények és alprogramok összetett rendszeréből álló szimulációs modul .NET komponenssé konvertálható a MATLAB Compiler / .NET Builder segítségével, amely a MATLAB környezetnek egy olyan hatékony kiegészítése, amely képes a MATLAB függvényekből különböző közvetlenül futtatható, vagy komponensként felhasználható állományokat fordítani. A szakértői és döntéstámogató rendszer felépítését a 3.4.2. melléklet mutatja, a folyamatirányító rendszerrel való kapcsolatát a 4.4.3. melléklet vázolja fel. A tranziens modell (dinamikus szimuláció) A hálózat dinamikus viselkedésének vizsgálata céljából egy MATLAB alapú tranziens modell készült, mely lehetőséget ad a rendszer dinamikai vizsgálatára bizonyos korlátok között. A tranziens modell programrendszerének leírását a 3.4.5. melléklet tartalmazza. Mivel a rendszer a szaturációs állapot környezetében erősen nemlineáris viselkedést mutat és nagyon gyors térbeli változások történnek a rendszer fizikai paramétereiben (óriási gradiensek a fázishatáron), a rendszer pontos vizsgálata csak igen kicsiny időintervallumban és szakaszon oldható meg (egyébként a PDE numerikus megoldását szolgáltató program futásideje nagyon megnövekszik). A hálózat viselkedésében alapvetően a konvektív hőtranszport dominál (a
9 diffúzió elhanyagolhatóan kicsiny), a numerikus instabilitási problémák kezelésére mesterséges diffúziót iktattunk be a modellegyenletekbe. Ily módon a megoldás stabilizálható és nagyobb időintervallumokban is vizsgálható a rendszer viselkedése, de az így kapott megoldás természetesen nem tökéletesen azonos az eredeti probléma megoldásával. A tranziens modell segítségével végzett szimulációk inkább kvalitatív eredményeket szolgáltatnak a rendszer viselkedéséről, melyek alapján elég pontos képet kaphatunk a rendszer dinamikájáról. A tranziens modell kezdeti feltételeinek beállításakor célszerű egy, a stacioner modell eredményeként adódó megoldást használni, hiszen így biztosítottak a konzisztens kezdeti feltételek, melyek ismerete nélkül egy ilyen bonyolultságú nemlineáris probléma megoldása igen komoly nehézségekbe ütközik. A kezdeti feltételek természetesen szabadon megválaszthatóak, ám ez esetben nem – vagy csak igen sok próbálkozás után – garantálható konvergens megoldás. COMSOL 1D dinamikus modell A hálózat dinamikájának vizsgálata céljából egy további, COMSOL alapú véges elemes modell is készült, mert a COMSOL rendszerben implementált nemlineáris PDE megoldó rutinok sokkal hatékonyabbnak bizonyultak a hálózat egyenleteinek megoldásában. A COMSOL véges elemes szoftvercsomag grafikus fejlesztőkörnyezetében definiálható a problémához tartozó geometria, valamint a modell PDE-k, de az egyenletek véges elemes megfogalmazását tartalmazó struktúrák, valamint a megoldó rutinok elérhetők MATLAB környezetből is. Ez a kapcsolat lehetővé teszi, hogy több összekapcsolt csőszakaszra, vagy akár az egész hálózatra a MATLAB alapú hálózatmodellt használjuk, de az ágakat leíró egyenleteket a megfelelő peremfeltételekkel együtt átadjuk a COMSOL nemlineáris megoldórutinjának, amely véges elemes diszkretizáció alkalmazásával megoldja azokat. A megoldást kiszámító COMSOL rutinok hatékony, sokrétűen paraméterezhető, adaptív, nemlineáris PDE megoldó algoritmusok, melyek alkalmazása nagymértékben elősegíti a hálózat nemlineáris viselkedésének vizsgálatát. A MATLAB-COMSOL kapcsolattal létrehozott modell segítségével végzett szimulációk jól rávilágítanak a hálózat nemlineáris jellegére a telített gőzállapot környezetében. A dinamikus modell segítségével a hálózat tényleges időkésleltetései túlhevített gőz esetében szimulációval meghatározhatók, továbbá a szaturáció környezetében lévő rendszer dinamikus viselkedésének jellege és a különböző modellparaméterektől való függése is vizsgálható. A 3.4.6. melléklet bemutatja a COMSOL modell felépítésének folyamatát és futtatási esttanulmányokat. Az esettanulmányok bizonyítják, hogy a telítési állapotban lévő rendszer viselkedése erősen nemlineáris jellegű. A lineáris rendszer-leírások fogalmai, megfontolásai ebben a tartományban nem alkalmazhatók, érvényüket vesztik. Az ilyen állapotban lévő rendszer irányítása igen bonyolult. Az adaptív irányítás, mint az egyik lehetséges megoldás, a rendszer-modell valós-idejű futtatását igényelné. A tranziens modell valós-idejű futtatása olyan méretű számítástechnikai hátteret kíván, amely a jelenlegi infrastruktúrában nem biztosítható, gazdasági megfontolásokból hosszútávon sem javasolható. A túlhevített rendszer viselkedése lineáris rendszer-leírásokkal közelíthető, az időkésleltetések, felfutási idők fogalma értelmezhető, a hasonlósági kritériumok segítségével kiszámíthatók. Az ilyen rendszerek irányítása a klasszikus irányítástechnika eszközrendszerével és algoritmusaival megvalósítható. ad. 3.5. A szakértői és döntéstámogató rendszer kifejlesztéséhez szükséges műszaki és módszertani feltételek elemzése A szakértői és döntéstámogató rendszer (SZDR) különösen akkor vált indokolttá, amikor a működő technológián (vízgőzhálózaton) elvégzett identifikációs mérések kétfázisú áramlásra, nedves gőz jelenlétére utaltak. A kapacitásához képest jelentősen csökkentett üzemmódban működtetett hálózat esetén az erőművi energiakiadás és a fogyasztói össz-tömegáramok mért értékei közötti jelentős eltérések a meglévő üzemellenőrző rendszer korlátaira, a kondenzáram-mérés hiányára, a vízgőzáram-mérés pontatlanságára engedtek következtetni. Az irodalmi adatok feldolgozása, a meglévő és a projekt során beszerzett, továbbfejlesztett térinformatikai és modellező szoftverekkel végzett modellezési és szimulációs tevékenységek mellett a működő rendszeren folytatott kísérleti identifikáció eredményei igazolták, vagy elvetették a felállított áramlástani és hőátviteli modellek alkalmazhatóságát, a gyakorlati hasznosítás korlátait. Modellezési tevékenységünk során -
a hálózat topológiájának, geometriájának, az egyes ágakhoz és csomópontokhoz hozzárendelt adatoknak megjelenítése, archíválása; a kétfázisú áramlás és a kondenzkilépés jellemzése, követése, megjelenítése;
10 -
anyagjellemzők (filmvastagság, hővezetési tényező, hőátadási tényező, nyírófeszültség, stb.), üzemviteli jellemzők (sebesség-eloszlás, térkitöltés, kritikus gőzsebesség, stb.), üzemállapotok (réteges, gyűrűs, permetes kétfázisú áramlás) meghatározása; speciális érzékelők (kondenzátorként működtetett térfogatáram-mérő, dinamikus nyomás mérésén alapuló áramlásmérő, akusztikus elvű tömegáramlás-mérő) jeleinek kiértékelésére számítási és adatfeldolgozási módszerek kidolgozása.
A technológián végzett mérések feldolgozása és kiértékelése, az aktuális üzemállapotok megismerése alapján szereztünk be, ill. fejlesztettünk ki speciális mérő-érzékelő eszközöket a kondenzáramok (vízgőzkondenzátorként funkcionáló térfogatáramlás-mérő, akusztikus rezgésmérésen alapuló tömegáramlásmérő), a réteges, ill. gyűrűs kétfázisú áramlás (a csőszelvényben különböző mélységbe benyúló össz- és statikus nyomáselvételi hellyel kialakított áramlásmérő) folyamatos megfigyelésére, ellenőrzésére. Az előzőekben vázolt modellezési és mérési technikák, eszközök és módszerek elemei a szakértői és döntéstámogató rendszernek, mely az ajánlott Honeywell folyamatfelügyeleti rendszerhez illesztve (az SZDR moduljaiban a mért és számított adatok a felügyeleti rendszer adatbázisában tárolhatók) alkotja a javasolt teljes infokommunikációs technológiát. A réteges kétfázisú áramlás jellemzésére kidolgozott számítási módszer, valamint az SZDR „Speciális érzékelők jeleit, ill. Kondenzátorként működő kondenzmérők adatait feldolgozó” moduljainak bemutatására a 3.5.1. mellékletben ismertetjük - az egyik nagyfogyasztó (Bőrisz Kft.) telephelyén kialakított, az alábbi ábrán vázolt ágnak megfelelően hagyományos és speciális érzékelőkkel felszerelt mérőrendszerünkkel elvégzett - vizsgálatok és a számítások menetét, eredményeit.
csomópont csi
csomópont csi +1
j.ág
P
M& kl1 M& kl 2 számított tömegáram
M& be j
M& kl i
T
P M&
ki j
M& kl m M& kl n
kondenzleválasztók leágazásai kondenzátorként működtetett térfogatmérőkkel és akusztikus elvű tömegárammérőkkel
Pitot-cső elvű áramlásmérő
mp M& ki j mérőperemes áramlásmérő
Az üzemviteli szakértői, döntéstámogató rendszer megvalósítása az ábrán feltüntetett mérő-érzékelők elhelyezését és működtetését feltételezi. A következőkben ismertetjük a technológián folyamatosan mért - s mobil adatátvitellel a felügyeleti rendszer központi gépeihez továbbított - mérési adatok feldolgozásához, az üzemviteli SZDR kialakításához szükséges összefüggéseket, számítási módszereket. A Csi és a Csi+1 csomópontok között elhelyezkedő j. ágon az akusztikus elven működő tömegáram számlálókkal mért átlagos tömegáramok összegzett értéke: n
M& kl = ∑ M& kl k k =1
A j. ág M& be
j
(3.5.1.)
tömegárama a Csi csomópontba belépő, ill. az innét távozó tömegáramok egyenlegeként számolt
tömegáram. Az erőművi forrásoldalról kiindulva, s a fogyasztóhelyek felé haladva a hálózat egyes ágainak felfűzésével, a részhálózatokra kiadott tömegáramok – tekintettel a túlhevített vízgőzállapotban mért nyomás- és hőmérsékletértékekhez tartozó vízgőzsűrűség megbízhatóságára – mindenkor korrekt bemeneti adatoknak tekinthetők a hálózat teljes tömegmérlege számítása során a számítógépes felügyeleti (szakértői) modell szempontjából.
11 A korrekt tömegmérleg megadásához szükséges vízgőzsűrűség, kilépő anyagáram, a vízgőz áramlási formájának meghatározása - valamennyi ágon az utolsó kondenzleválasztó utáni szakaszon - a szűkítőelemes áramlásmérés mellett (esetenként helyett) a csőszelvény helyi sebességeloszlását tisztázó Pitot-cső elvű - a vízszintes csőszakasz csőátmérője mentén függőleges irányban haladva különböző, szabványban rögzített magasságban kialakított nyomáselvételi helyekkel rendelkező (össznyomás és a statikus nyomás helyi érzékelése) áramlásmérők beépítésével biztosítható. Megjegyezzük, hogy a szűkítőelemes áramlásmérés a kétfázisú áramlás réteges áramlási formájában nem szolgáltat megbízható eredményt, ugyanis ekkor a csővezetékben a két fázis teljesen különválva, különböző sebességgel áramlik. Legyen a szűkítőelemes – a tömegáramot a mért nyomáson és hőmérsékleten a telített száraz vízgőz sűrűségével számító – áramlásmérővel mért érték: M& . Ezt a tömegáramot – egyensúlyi állapotot feltételezve – összevetve ki
az M& kl kondenzáramokkal csökkentett, belépő M& be ágárammal a különbözet, az alábbi tömegárameltérés:
(M& be − M& kl ) − M& kimp = M& e
(3.5.2.)
a kondenzálódással járó sűrűségváltozásnak, e sűrűségkorrekció hiányának tulajdonítható (ill. nem teljesülnek a szűkítőelemes áramlásméréshez szükséges feltételek). A szűkítőelemes áramlásmérő korrekciós szorzója e tömegárameltéréssel megnövelt és az általa mért tömegáram hányadosaként: k mp =
M& kimp + M& e M& mp
(3.5.3.)
ki
A tömegáram számítására vonatkozó átfolyási egyenletben a tömegáram az áramló közeg ρ& k átlagos sűrűsége négyzetgyökével arányos, ezért a tényleges és a szűkítőelemes áramlásmérőnél korrigálatlanul figyelembevett átlagos sűrűség viszonya az előbbi korrekciós szorzó négyzeteként számítható. Az áramló közeg átlagos sűrűségére tehát az alábbi összefüggés adható meg:
M& ρ& k = & = ε& ρ g + (1 − ε& )ρ f V
(3.5.4.)
ahol ε& , ill. (1 − ε& ) ρ g , ρ f , ρ& k
- a vízgőz, ill. folyadék térfogatáramtörtje; - vízgőzsűrűség, folyadéksűrűség, átlagos sűrűség [kg/m3];
M& V&
- a kétfázisú áramlás tömegárama [kg/s]; - a kétfázisú áramlás térfogatárama [m3/s ].
A mért p nyomáson és T hőmérsékleten ismerve a telített száraz vízgőz és a víz sűrűségét, az előbbi korrekciós szorzó és a (3.5.4.) összefüggés alapján meghatározhatók a térfogatáramtörtek:
( )
ε& ρ g + (1 − ε& ) ρ f = k mp 2 ρ g = ρ& k
(3.5.5.)
Például p=10,8 bar abszolút nyomás és T=183,2ºC hőmérséklet esetén legyen az ág végső szakaszán a szűkítőelemes áramlásmérővel mért & mp = 3,05 t/h, az ág belépő tömegáramaként számolt érték: M& = 4 ,9 t/h, a kondenzleválasztókon a környezetbe távozó érték: M be ki kondenzáramok mért, összegezett értéke:
M& kl = 0,8 t/h. A szűkítőelemes áramlásmérőhelyen a sűrűségkorrekcióból származó különbözet:
M& e = 4,9 t/h – (3,05 t/h + 0,8 t/h)=1,05 t/h
(3.5.6.)
Ebben az esetben a korrekciós szorzó: kmp =
3,05t / h + 1,05t / h = 1,344 3,05t / h
(3.5.7.)
12 A víz
ρ f = 883,47 kg/m3 , a vízgőz ρ g = 5,531 kg/m3 sűrűségét alapul véve az (3.5.5.) összefüggésbe való behelyettesítés:
ε& 5,531 kg/m3 + (1 − ε& ) 883,47 kg/m3=5,531 kg/m3·1,806, melyből a vízgőz térfogatáramtörtje:
(3.5.8)
ε& = 0,9949, a víz térfogatáramtörtje: 1 − ε& = 0,0051 értékre adódik.
Az ágat elhagyó M& ki tömegáramot tekinthetjük a szűkítőelemes mérés sűrűségkorrekcióval módosított értékének (ennek meg kell egyezni a belépő ágáram mért kondenzáramokkal csökkentett értékével): M& ki = k mp M& kimp = M& be − M& kl
(3.5.9.)
Ismerve az áramlásmérőhelyeknél a csővezeték Ac áramlási keresztmetszetét és az (3.5.5.) összefüggés szerint számított ρ& k átlagos sűrűséget, az áramló közeg uk átlagos sebessége az alábbiak szerint számítható: uk =
M& ki ρ& k Ac
(3.5.10.)
A vízgőzhálózat egyes ágaiban a Pitot-cső elvű speciális mérőeszközzel (továbbiakban speciális áramlásmérő) elvégzett áramlásmérések igazolták azokat a feltevéseket, hogy a csőszelvényben többnyire elkülönülten, jelentős sebességkülönbséggel áramlik a folyadék- és a gőzfázis, s bizonyos üzemállapotokban a folyadékfázis a csőszelvény jelentős hányadát is kiteheti. A korábbiakban bevezetett, az egyes fázisokra az alábbiakban megadott térfogatáramtörtek: V&g V&g ε& = & = ; Vg + V& f V&
V& f V& f 1 − ε& = & = Vg + V& f V&
(3.5.11.)
ahol
V&g ill. V& f V&
- a vízgőz, ill. a folyadék térfogatárama [m3/s]; - a kétfázisú áramlás térfogatárama [m3/s];
a különböző sebességgel áramló fázisok térkitöltésére nem adnak felvilágosítást. A helyi sebességek meghatározására irányuló mérések a körszelvényt 6 egyenlő részterületre osztva körgyűrűk, ill. egy belső kör felezőkörén, ill. két pontjában a dinamikus nyomásokat mérve szolgáltatják az áramló közeg sebességeloszlását. A vízszintes helyzetű csővezetékben kialakított mérőhelyeken a kondenzátum elhelyezkedését az 1. munkaszakasz Részletes szakmai beszámolójában közölt 4. ábra szemlélteti. Az identifikációs mérések során a kétfázisú áramlás - a kis áramlási sebességekből adódó - réteges áramlásként nevezett áramlási formáját tapasztaltuk. Elsőként ennek jellemzését kívánjuk részletezni, de javaslatot teszünk a jóval nagyobb áramlási sebességeknél megvalósuló gyűrűs és permetes áramlás meghatározására is. A réteges áramlás során kialakuló folyadékfilm rétegvastagságának számítására az 1. munkaszakasz Részletes szakmai beszámolójában megadott (21) összefüggést, a cső alján elhelyezkedő folyadékréteg szintjének megadására a (34) összefüggést használtuk, ill. javasoljuk. Az egyes ágak végén elhelyezkedő vízszintes mérőszakasz csőszelvényének kitüntetett (szabvány által meghatározott) pontjaiban mért dinamikus nyomásokból a helyi sebességek az alábbi összefüggéssel számíthatók:
u gi =
2 pdini ρg
;
pdin = pö − pst
ahol u gi
- az áramló vízgőz helyi sebessége az i. szabványos helyen [m/s];
(3.5.12.)
13 pdini
- az áramló vízgőz helyi dinamikus nyomása [Pa];
pö , ill. pst ρg
- az áramló vízgőz helyi összes, ill. statikus nyomása [Pa]; - a telített száraz vízgőz sűrűsége [kg/m3].
A körszelvény azonos területű részszelvényeit jellemző helyi vízgőzsebességek alapján számítható a vízgőz átlagos axiális sebessége: m
∑ u gi
u g = i =1 m
;
m=3,4,5,6
(3.5.13.)
ahol ug m
- az m számú (min. 3, max. 6) helyi vízgőzsebesség számtani átlagaként nyert érték [m/s]; - a szabványos mérőhelyek száma.
A kétfázisú réteges áramlás sebességeloszlásának tisztázásánál figyelembe kell vennünk a következő összefüggéseket is. A (3.5.9.) kapcsolatból az ág végére számított (ténylegesen mért és szükség esetén korrigált) M& ki tömegáram és az (3.5.5.) összefüggésből nyert ρ& k átlagos sűrűség hányadosaként határozható meg a kétfázisú áramlás V& térfogatárama. E térfogatáramot a (3.5.11.) összefüggésekkel jellemzett térfogatáramtörtekkel beszorozva kapjuk meg az egyes fázisok térfogatáramát: V& f = (1 − ε& )V& ;
V&g = ε& V& (3.5.14.)
Az egyes fázisok térfogatáramának és sűrűségének ismeretében nyert tömegáramok: M& f = V& f ρ f ;
M& g = V&g ρ g ;
M& = M& f + M& g
(3.5.15.)
ahol M& f , M& g , M&
- a folyadék, a vízgőz, a kétfázisú áramlás tömegárama [kg/s];
ρ f , ill. ρ g
- a folyadék-, ill. a vízgőzsűrűség [kg/m3].
(
)
Az ágat elhagyó M& ki tömegáramból M& ki = M& a (3.5.14.) és a (3.5.15.) összefüggések alkalmazásával nyert M& g vízgőz tömegáramnál nem lehet nagyobb a dinamikus nyomásmérésen alapuló speciális áramlásmérővel mért, s az alábbiak szerint számított tömegáram: 1 ⎛m ⎞ M& g m = u g ⎜ Ac − AF ⎟ρ g ≤ M& g 6 2 ⎝ ⎠
(3.5.16.)
ahol
ug m Ac AF ρg
- a helyi dinamikus nyomásokból számított átlagos vízgőzsebesség [m/s]; - a ténylegesen vízgőzáramot mérő szabványos mérési pontok száma (min. 3, max. 6); - a csőszelvény teljes keresztmetszete [m2]; - a kondenzfilm (filmgyűrű) szelvénye [m2]; - a telített száraz vízgőz sűrűsége [kg/m3];
M& g m
- a maximális, de megfelelő számú mérési pontok átlagaként számolt vízgőz
M& g
tömegáram [kg/s]; - az ág távozó vízgőz össztömegárama [kg/s].
14
Amennyiben az Ac területű körszelvény 6 egyenlő részterületének szabványosan rögzített pontjaiban elhelyezett össz-, ill. statikus nyomás érzékelőknél az általuk szolgáltatott dinamikus nyomásból vízgőzáramlásra következtethetünk, e pontok száma legalább 3, ill. legfeljebb 6 lehet, hogy a pontokhoz tartozó gőzsebességek számtani átlagaként nyert ug átlagos gőzsebességgel számolt tömegáram az előbbi egyenlőtlenségnek eleget tegyen. A (3.5.10.) összefüggésnek megfelelően a fázisok tömegárama és sűrűsége ismeretében ellenőrízhető az uk átlagos sebesség az alábbiak szerint: uk =
M& g ρ g Ac
+
M& f
(3.5.17.)
ρ f Ac
A vízgőz ug átlagos sebességét a (3.5.13.), a V&g térfogatáramát a (3.5.14.) összefüggés szerint meghatározva számítható a speciális áramlásmérő beépítési helyén a csőszelvényben a vízgőz által elfoglalt keresztmetszet: Ag =
V&g
(3.5.18.)
ug
ahol ug, ill. V&g
- a gőzfázis átlagos haladási sebessége [m/s], ill. térfogatsebessége [m3/s];
Ag
- a vízgőz által betöltött csőszelvény [m2].
A folyadék által elfoglalt Af csőszelvény: A f = Ac − Ag
(3.5.19.)
Az egységnyi hosszúságú áramlási csatorna által meghatározott térfogatelemet tekintve, az előbbiek alapján számíthatók a térfogattörtek: ε=
Ag ⋅ 1
(Ag + A f )1
=
Ag Ac
;
1− ε =
Af Ag + A f
=
Af Ac
(3.5.20.)
ahol Af, Ag, Ac ε , ill. (1 − ε )
- a folyadék, a vízgőz, a fázisok által elfoglalt keresztmetszet [m2]; - a vízgőz, ill. a folyadék térfogattörtje.
A tömegáramtörtek a (3.5.15.) összefüggés alapján értelmezhetők: M& g M& g x& = & = ; M g + M& f M&
M& f M& f 1 − x& = & = M g + M& f M&
(3.5.21.)
ahol M& f , M& g , M&
x& , ill. (1 − x& )
- a folyadék, a vízgőz, a kétfázisú áramlás tömegárama [kg/s]; - a vízgőz, ill. a folyadék tömegáramtörtje.
Az egyes ágak végső szakaszán beépített speciális áramlásmérőknél a (3.5.19.) összefüggés szerint meghatározva a Af folyadékszelvény értékét, a (3.5.14.) képlettel számított V& f folyadék térfogatáram ismeretében a folyadékfázis uf átlagos haladási sebessége réteges áramlás esetén:
15
uf =
V& f
(3.5.22.)
Af
A réteges áramlásra vonatkozó számításainknál feltételezhetjük, hogy a vízgőz által betöltött Ag területű csőszelvényre teljesül: Ag ≥
1 1 Ac − AF , 2 2
(3.5.23.)
tehát a csőben az áramló folyadék szintje legfeljebb a belső csőátmérő fele. Az egyes fázisok átlagsebességének meghatározásával kapcsolatos számításainkat alkalmazhatjuk a részszelvények sebességmeghatározásánál is. Rögzítsük azoknak az egyenlő területű részszelvényeknek a vízgőz által kitöltött Ag 6 − m területét, melyeknek szabványos pontjaiban a (3.5.16.) egyenlőtlenség teljesülése kondenzáramra utal:
Ag 6 − m =
6−m 1 ⎛ ⎞ Ac − ⎜ A f − AF ⎟ 6 2 ⎝ ⎠
(3.5.24.)
ahol m Ag 6 − m
- a ténylegesen vízgőzáramot mérő szabványos mérési pontok száma (min. 3, max. 6); - vízgőzkeresztmetszet a (6-m) számú részszelvényekben [m2].
A részszelvényekben a felületarányokból számítható térfogattörtek: ε6− m =
Ag 6 − m ⎛ m⎞ ⎜1 − ⎟ Ac 6⎠ ⎝
;
1 − ε6− m
(3.5.25.)
ahol ε 6 − m , ill. (1 − ε 6 − m )
- a vízgőz, ill. a folyadék térfogattörtje a részszelvényekben.
A részszelvényekben átáramló
M& g 6 − m vízgőz tömegáramot a teljes
M& g vízgőzáram és a (3.5.16.)
összefüggéssel számított M& g m tömegáram különbségeként nyerjük: M& g 6 − m = M& g − M& g m
(3.5.26.)
A részszelvényekben a vízgőz sebességére az alábbiak szerint adódó értéknek: u g6− m =
M& g 6 − m
ρ g Ag 6 − m
(3.5.27.)
meg kell egyezni a (3.5.13.) összefüggés szerint számított sebességgel. A részszelvényekben az áramló közeg uk 6 − m átlagos sebessége az alábbiak szerint számítható: uk 6 − m = ε 6 − mu g 6 − m + (1 − ε 6 − m )u f
(3.5.28.)
A kétfázisú áramlás áramlási formájának megállapításához alkalmas a Baker diagram (lásd. a 3.5.2. mellékletben 1 − x⋅ λ B ψ B ; ill. közölt összeállítást), melynek logaritmikus beosztású koordináta tengelyein szereplő x⋅
16 x& ⋅ m& ⎡ kg ⎤ állapotjellemzők ismerete és összetartozó értékei esetünkben (az egyik nagyfogyasztónál végzett λ B ⎢⎣ m 2 s ⎥⎦ identifikációs mérések során) az áramlás réteges jellegére utaltak. Az előbbi állapotjellemzők értelmezéséhez korábbi jelöléseinket követve rögzítsük a következőket: m& =
M& Ac
(3.5.29.)
ahol
m& M& Ac
- a keverék tömegáramsűsűsége [kg/sm2]; - a kétfázisú áramlás tömegárama [kg/s]; - csőszelvény keresztmetszet [m2].
A korrekciós tényezők számítására szolgáló összefüggések az alábbiak: 1 ⎞2
1
2 ⎛ ρg ρ f ⎛ σ H O ⎞⎛⎜ η f ⎛ ρ H O ⎞ ⎞⎟ 3 2 2 ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎟ λB = ⋅ , ill. ψ B = ⎜ ⎜ σ f ⎟⎜⎜ ηH O ⎜ ρ f ⎟ ⎟⎟ ⎜ ρL ρH O ⎟ 2 ⎠ ⎠ ⎠ ⎠⎝ 2 ⎝ ⎝ ⎝ ahol
ρ g ,ρ f ,ρ L ,ρ H 2 O
(3.5.30)
- a vízgőz, a folyadék tényleges üzemállapotbeli sűrűsége; a levegő, a víz
η f ,η H 2O
atmoszférikus nyomáshoz és 20ºC-hoz tartozó sűrűsége [kg/m3]; - a víz dinamikai viszkozitása üzemi, ill. „technikai normál” állapotban [kg/ms];
σ f ,σ H 2O
- a víz felületi feszültsége üzemi, ill. „technikai normál” állapotban [N/m].
Az áramlás jellegének tisztázásához kapcsolatos számításainkat a 3.5.1. mellékletben közöljük. Az elmúlt évek vízgőz fogyasztás, vízgőzállapotok statisztikáit, file-ban és regisztrátumokon rögzített dokumentumait áttekintve megállapítottuk, hogy a nagyfogyasztók energiaellátását a szaturációs, egyensúlyi állapotban lévő vízgőz szolgáltatása, a fogyasztókhoz eljutó telített nedves vízgőz áramát a réteges áramlási forma jellemzi. A következőkben – az esetek döntő többségét jellemző réteges áramlás minősítésére szolgáló mérési és számítási módszereken túlmenően – a nagyobb közegsebességeknél kialakuló gyűrűs (esetleg permetes) áramlás minősítésére, számítására teszünk javaslatot. A gyűrűs áramlás legfőbb jellegzetessége a fal mentén áramló folyadékfilm. A filmen hullámok mozognak, melyeknek alapvetően két típusát lehet megkülönböztetni, az átlagos filmvastagsághoz képest kis amplitudójú, szabályos kinézetű fodros hullámok, s az átlagos filmvastagságnál többnyire nagyobb amplitudójú, szabálytalan zavarhullámok. A zavarhullámokból a folyadékfilmnél sokkal gyorsabban áramló gázmag cseppeket ragad fel. A gyűrűs áramlás folyadékcseppeket szállító, gyorsabban áramló gázmagra és lassabban áramló folyadékfilmre bontható. A tárgyalt modellekben feltételeztük, hogy a folyadékfilm nem tartalmaz gázt (esetünkben vízgőzt), a folyadék és a vízgőz tömegárama állandó, s a cső hossza mentén állandó a filmvastagság. A következő feltételeknek kell teljesülni ahhoz, hogy a vízgőzmag a filmből cseppeket ragadjon fel: a film felületén éles felületek, kanyarulatok okozta zavarhullámoknak kell kialakulni, továbbá el kell érni egy kritikus sebességet. A cseppfelragadást a fázishatárok mentén működő súrlódási erők határozzák meg, ezt kell legyőzni a film felületi feszültségének (a Weber-szám e két erő viszonyát jellemzi). A sebességi erő ellenében végbemenő cseppfelragadást a Froude-szám fejezi ki. A kritikus gázsebességet a csőátmérő alig befolyásolja, a nyomás növekedése, s a felületi feszültség csökkenése viszont csökkenti. Az alábbi, dimenzió nélküli kifejezésekből álló összefüggés legtöbbször kielégítő eredményt ad 4….150 bar tartományban vízgőz-víz elegy esetén is a kritikus gázsebesség kiszámítására:
17 2
wg ,kr
⎡ ⎤ 3 ⎡ ( 1 − x& )m& D ⎤ σf =⎢ ⎥ ⋅⎢ ⎥ ηg ⎢⎣ g ρ f − ρ g D 2 ⎥⎦ ⎢⎣ ⎥⎦
(
−
)
1 3
(
7
)
5
⎡ g ρ f − ρg D ⎤ 9 ⎡ D ⎤ 9 ⋅⎢ ⎥ ⋅⎢ ⎥ ρg ⎢⎣ ⎥⎦ ⎣ υ g ⎦
(3.5.31.)
ahol wg ,kr
- kritikus vízgőzsebesség [m/s];
σf
- a víz felületi feszültsége [N/m];
x& m& η g , ill. υ g
- a vízgőz tömegáramtörtje; - a keverék tömegáramsűrűsége [kg/sm2]; - a vízgőz dinamikai, ill. kinematikai viszkozitása [kg/ms], ill. [m2/s].
A gőzmag cseppterhelése annál nagyobb, minél nagyobb a fázishatárok közötti súrlódási erő, minél turbulensebb a filmfelület és minél kisebbek a felületi feszültségek. Azonos tömegáramsűrűség és anyagtulajdonságok esetén a gőzmag cseppterhelése a csőátmérő növekedésével nő. A cseppterhelés durva becslésére alkalmas az alábbi összefüggés: ⎡ 2 1 ⎛ ρg M& F = exp ⎢0 ,128 − 0 ,58Fr 3We 3 Re − 0 ,1⎜ ⎢ ⎜ρf M& f ⎝ ⎢⎣
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
−0 ,25 ⎤
⎥, ⎥ ⎥⎦
(3.5.32.)
amelyben szereplő dimenziómentes számok (Froude-, Weber-, Reynolds-szám), ill. sebességértelmezés a következő:
Fr =
( u fh* )2 gD
;
We =
D ⋅ ρ f ( u fh* )2
σf
; Re =
D ⋅ u fh*
υf
;
u fh*
⎛ τ fh ⎞ ⎟ =⎜ ⎜ ρf ⎟ ⎝ ⎠
0,5
(3.5.33.)
ahol M& F ,ill . M& f τ fh
- a filmgyűrű, ill. a teljes folyadék tömegárama [kg/s];
u fh*
- fázishatármenti súrlódási sebesség [m/s].
- fázishatármenti nyírófeszültség [N/m2];
A τ fh nyírófeszültség meghatározására – amennyiben a súrlódási erők hatásához képest a nehézségi erő hatása elhanyagolható – alkalmas az alábbi közelítő összefüggés: ⎛ D δ ⎞ ⎛ ∆p ⎞ τ fh = ⎜ − ⎟ ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ 4 2 ⎠ ⎝ ∆L ⎠ s ,kf
(3.5.34.)
ahol ⎛ ∆p ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ∆L ⎠ s ,kf
- a kétfázisú áramlás súrlódási nyomásesése [N/m3];
δ
- filmvastagság [m].
A szlip-modell alapján a kétfázisú áramlás súrlódási nyomásesése az egyfázisú áramlás megfelelő értékéből és a Φ korrekciós függvények figyelembevételével:
18 ⎛ ∆p ⎞ ⎛ ∆p ⎞ ⎛ ∆p ⎞ = Φ 2f ⋅ ⎜ = Φg2 ⋅⎜ ⎜ ⎟ ⎟ ⎟ ⎝ ∆L ⎠ s ,kf ⎝ ∆L ⎠ s , f ⎝ ∆L ⎠ s ,g
(3.5.35.)
ahol Φ f , ill. Φ g
- a folyadékra, ill. vízgőzre vonatkozó korrekciós függvények;
⎛ ∆p ⎞ ⎛ ∆p ⎞ ⎜ ⎟ , ill. ⎜ ⎟ ⎝ ∆L ⎠ s , f ⎝ ∆L ⎠ s ,g
- az egyedül áramló folyadék, ill. a vízgőz hosszmenti nyomásesése [N/m3].
A gyakorlatban legtöbbször előforduló esetben, mindkét fázis turbulens áramlása, s technikailag sima felület esetén a Φ korrekciós függvények a következőkben megadott X L ,M Lockhart-Martinelli-paraméterektől függnek:
X L ,M
⎛ 1 − x& ⎞ =⎜ ⎟ ⎝ x& ⎠
0 ,9
⎛ ρg ⋅⎜ ⎜ρf ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
0 ,5
⎛ ηf ⋅⎜ ⎜ ηg ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
0 ,1
(3.5.36.)
E paraméter Φ korrekciós függvényeket befolyásoló hatása a 9. ábrán látható. Az áramló fázisok hosszmenti nyomásesésének számítására szolgáló összefüggések:
( ) ( )
2 M& f ⎛ ∆p ⎞ ⎜ ⎟ = λs, f ⎝ ∆L ⎠ s , f 2 ⋅ρ f ⋅ D Af 2
ill.,
( ) ( )
2 M& g ⎛ ∆p ⎞ ⎜ ⎟ = λ s ,g ⎝ ∆L ⎠ s ,g 2 ⋅ ρ g ⋅ D Ag 2
(3.5.37.)
A 3.5.2. mellékletben a kétfázisú áramlás vízszintes csővezetékben kialakuló áramlási formáinak becslésére szolgáló, fuzzy szabálybázison alapuló osztályozási algoritmus bemutatását közöljük.
9. ábra. Diagram a surlódási nyomásesés számításához szükséges Lockhart-Martinelli paraméterek megadásához ad. 3.6. Javaslattétel a számítógépes felügyeleti, továbbá a szakértői és döntéstámogató rendszer kiépítésére
A folyamatidentifikációs mérések elvégzésével, a meglévő és az ideiglenesen beépített mérő és infokommunikációs eszközök alkalmazásával üzemvitel szempontjából azonosított vízgőzhálózat további üzemeltetésére, az infokommunikációs technológia kialakítására, bővítésére vonatkozó javaslatainkat a következőkben foglaljuk össze. A nagyfogyasztóknál kialakított méréstechnikai, műszertechnikai háttér
19 -
az erősen lecsökkent fogyasztószám és vízgőzigény, a tervezett és lehetséges kapacitásánál jóval alacsonyabb kihasználással működő vízgőzhálózat üzemvitele, a tartós szaturációs állapot kialakulása
miatt nem alkalmas a telített vízgőz állapotváltozásának, a nedves változó nedvességtartalmú vízgőz minőségének követésére. A száraz vízgőz mérésére tervezett, s jelenleg is ennek sűrűségével számoló szűkítőelemes áramlásmérési módszerek tájékoztató jellegű adatot szolgáltatnak. Ahhoz, hogy e mérőrendszerek a fogyasztott tömeg- és energiaáramokról pontos adatot nyújthassanak, tartósan „közel száraz” vízgőzállapot biztosítása lenne kívánatos. A jelenlegi csőhálózati kiépítés (a hálózat topológiájával, a csőhosszakkal, a csőátmérőkkel, a csőhálózatvégi fogyasztásokkal kapcsolatos hidraulikai ellenállások) esetén ez csak nagyobb fogyasztói vízgőzigény és fogyasztószám esetén teljesíthető. Javaslatunk a megbízhatóbb méréseken, a vízgőz állapotjellemzők pontos ismeretén alapuló, a korrekt energiaelszámolás feltételeit biztosító számítógépes felügyeleti rendszer kialakítása, melynek szintjei: -
mérőberendezések, intelligens mérőállomások, pillanatértékek megjelenítése, adattárolás, adatok elemzése alapján üzemeltetési stratégiák kidolgozása. Mérőberendezések
A rendszerben jelenleg alkalmazott és a továbbiakban is minden nagyfogyasztónál szükséges klasszikus mérőeszközök -
hőmérsékletmérés ellenálláshőmérővel, távadóval, nyomásmérés távadóval, mérőperemes átfolyásmérés távadóval.
A fenti eszközökkel nem kapunk információt a csőben lévő áramlás többfázisú jellegéről és a kondenzleválasztók működéséről. Javaslatunk - az áramlás jellegéről információt nyújtó - több, egymástól függetlenül kivezetett, Pitot-cső elven működő dinamikus nyomás-mérő beépítése minden nagyfogyasztónál a mérőszakaszokon. Ez szerkezetileg egy többfuratos cső, mely furatonként csatlakozik egy-egy nyomáskülönbség távadóhoz. Javaslatunk, a kondenzleválsztók működésének akusztikus ellenőrzése. A kiáramló gőz és víz által keltett zaj alapján meghatározható a nyitás periódusideje és a nyitás időtartama. Az adatokat elektronikusan tároljuk, s egy készülékkel a helyszínen kiolvashatók egy hosszabb időtartam rögzített adatai, illetve továbbíthatók GSM hálózatban is a folyamatos állapotmeghatározás érdekében. A akusztikus elvű kondenzáramméréssel kapcsolatos dokumentációt lásd. a 3.6.2. mellékletben. A beépítésre javasolt mérő-, adatgyűjtő- és adatfeldolgozó eszközöket identifikációs méréseink idején beüzemeltük és működtettük, s az általuk szolgáltatott információk feltétlen szükségesek a javasolt szakértői rendszer működtetésénél, hasznosításánál. Intelligens mérőállomások A komplett mérőrendszer adatainak kiértékelése egy lokális számítógépen történik. A Honeywell terepi egység bővítések nélkül alkalmas a feladat megoldására. A kész programokon túlmenően is jól programozható az egység. A programokat asztali számítógépen lehet megírni és lefordítani gépi kódra. A lefordított programot akár a GSM rendszeren keresztül, távolról is letölthetjük a mérőállomásra. A letöltött program a valós környezetben is tud szimulációként futni a technológia veszélyeztetése nélkül. A technológia irányítására a helyi „terepi” egységek önállóan is alkalmasak. A felügyeleti rendszer a terepi egységek programját és paramétereit állítja, közvetlenül nem avatkozik be a rendszerbe. A terepi egységek a felügyeleti rendszer nélkül is üzemképesek egy korábban beállított állapotnak megfelelően. A globális rendszer optimalizálása szempontjából szükséges stratégiát természetesen a központi rendszer tudja csak meghatározni (további információkat lásd. az 1. Részletes szakmai beszámoló 1.7. fejezet; a 2. beszámoló 1.9., 1.10. fejezet és a melléklet 10. ábra).
20 Az irányítási és mérési funkciók hierarchiája A terepi egységben megvalósított funkciók - bejövő jelek szűrése; - érzékelő – karakterisztika linearizálása; - mért érték átszámítása mérnöki egységekre; - időprogram létrehozása (perc-óra-a hét napjai-hónap bontásban; 1 évre megadható az ünnepeket, munkaszüneti napokat figyelembevevő időprogram); - események által kiváltott műveletsorok (határérték túllépés, vagy központi vezérlő utasítás végrehajtása); - matematikai műveletek (alapműveletek + digitális szűrés, átlag, csúcsérték meghatározása), Fuzzy logikai függvények kiértékelése; - hagyományos szabályozási algoritmusok (P-, I-, PID-) megvalósítása; - vészjelzések kiadása és naplózása (adatátviteli hiba esetén az utolsó nap cca. 10 perces bontásban kiolvasható az egységekből; a helyszíni kiolvasás egy hordozható számítógépre való csatlakozást és az adatátvitel kézi indítását jelenti; a paraméterek, programok a számítógép és a terepi egység között mindkét irányban átvihetők, megjeleníthetők). A felügyeleti rendszer működtetésének főbb szempontjai A felügyeleti rendszer központjában az adatok 10-15 perc gyakorisággal frissülnek. Ez a mintavételi idő a rendszer jelentős tehetetlensége miatt kielégítőnek bizonyult. Az adatokat az alkalmazott szoftver eltárolja és gyakorlatilag tetszőleges időskálán meg tudja jeleníteni. Különleges szolgáltatás a „trend-buffer”. A trendfigyelő rendszer a mérőhelyeken 2 másodpercenként vesz mintát és az így kapott eredményeket átlagolja programozható időintervallumra. A módszernek azért van jelentősége, mert egyes vízgőz-felhasználóknál rövid ideig tartó (néhány perces) fogyasztások is előfordulnak, s így 10 perces mintavétel hibás átlagoláshoz vezethet. A „trend-buffer” értékek a beállított mintavételi ciklus átlagát szolgáltatják a pillanatérték helyett. A „trend-buffer” típusú mérési eljárás bevezetését javasoljuk azokon a pontokon, ahol jelenleg pillanatértéket szolgáltat csak a mérőhely. Az üzemeltető számára a tervezett üzemállapotok kiválasztását segíti elő a létrehozott, a 3.3. és 3.4. fejezetekben ismertetett matematikai modellek. Az üzemállapotok a felügyeleti rendszerben modellezhetők és az állapotok komplex elemzése alapján szabályok hozhatók létre az események kezelésére. A komplex elemzés alatt azt értjük, hogy figyelembe vehetők a matematikailag zárt formában nem megadható, szerződéses és gazdasági megfontolások is. Az elvégzett vizsgálataink alapján a rendszer optimalizálásához zárt szabályozási hurkok alkalmazása nem célravezető. Az optimalizálás a megfelelő üzemállapot vezérlés jellegű beállításával oldható meg. A külső rendszerek fogadását a „Honeywell Energy Manager” modul biztosítja. Lehetővé teszi az energiarendszer modelljének beépítését, támogatja az energetikai rendszer felhasználó számára fontos adatainak „barátságos” formára hozását. A felhasználó elől rejtve marad döntéstámogató rendszer matematikai apparátusa, csak a számított eredmények jelennek meg. A javasolt üzemviteli szakértői és döntéstámogató rendszer létrehozásának előfeltételei az alábbiak: -
a 3.3. és 3.4. fejezetekben (a kapcsolódó dokumentációkban) bemutatott számítógépes modellek futtatásával változó üzemállapotok (változó energiafeladás, topológia és ellenállásviszonyok) szimulálása; a vízgőzhálózat egyes ágaiban (valamennyi nagyfogyasztói végpont és a gerincvezetékről való leágazás csomópontja közötti ágon) a jelenlegi áramlásmérőhelyek közelében a csőszelvényben kialakult sebességeloszlás meghatározása helyi dinamikus nyomásmérés elvén, valamennyi, a gerincvezetékről leágazó ágban telepített kondenzleválasztó távozó tömegáramának mérése; a meglévő és a javasolt mérőhelyeken mért adatok mobil kommunikációval történő továbbítása a felügyeleti rendszerhez; a 3.5. fejezetben és annak mellékleteiben közölt, a kétfázisú áramlás minősítésére és számítására szolgáló módszerek és összefüggések algoritmizálása.
A 3.6.1. mellékletben a felügyeleti rendszerrel és működésével kapcsolatos további ismereteket rögzítettünk, a 3.6.2. mellékletben a kondenzáram meghatározásával kapcsolatos méréseinket dokumentáltuk.
Tartalomjegyzék
Részletes szakmai beszámoló ............................................................................................................................... 2 3. munkaszakasz..................................................................................................................................................... 2 ad 3.1. A hálózatüzemeltetési stratégia elemzése, megválasztása...................................................................... 2 ad 3.2. A választott hálózatüzemeltetési stratégiához szükséges beavatkozási helyek, beavatkozó szervek megválasztása.......................................................................................................................................... 4 ad. 3.3. Az erőmű nyomásszabályozási rendszere által irányított hálózat változó hálózatüzemeltetési stratégiához igazodó szimulációja a hálózati modellel......................................................................... 6 ad. 3.4. A működtetett hálózat térinformatikai, áramlástechnikai és hőátviteli modellezésére szolgáló szoftvermodulok kapcsolatrendszere .................................................................................................... 7 ad. 3.5. A szakértői és döntéstámogató rendszer kifejlesztéséhez szükséges műszaki és módszertani feltételek elemzése ................................................................................................................................... 9 ad. 3.6. Javaslattétel a számítógépes felügyeleti, továbbá a szakértői és döntéstámogató rendszer kiépítésére.............................................................................................................................................. 18
